2008/3/16

纖纖細毛


我從博士班以來,所做的實驗都與纖毛(cilia)的形成有關係。纖毛雖然是包括人類在內的大多數生物細胞上普遍可見的胞器,但是畢竟是個聽起來不怎麼顯赫的東西。也因此不管是不是學生物的朋友,人們總問我:這個東西可以研究出什麼名堂?

老王賣瓜,我來自誇一下吧。不過廣告之外,從「纖毛生物學」研究受重視的冷熱變化,在某種程度上,我覺得也反映出美國生物醫學領域這些年來發展走向的某種模式。

其實纖毛是很有歷史淵源的構造。當年雷文霍克用顯微鏡觀察水中的單細胞生物時,最初描述紀錄到的微細構造之一,正是這些不斷地擺動,突出於細胞表面的微小胞器。纖毛的長度約0.005mm,有些長一點,有些短一點,依照不同的生物與細胞類型而定。現在人們把纖毛依運動方式分成兩種,大家所熟知的是會擺動的運動纖毛(motile cilia),這類也是雷文霍克在纖毛蟲身上所觀察到的纖毛,而人類呼吸道上皮細胞最表面的一層,正長滿了運動纖毛。這些纖毛擺動形成波浪推動黏液,而黏液沾附了所吸入空氣中的有害物質,變成痰而排出,所以這些纖毛可以幫助我們清除進入呼吸道的異物,跟人體健康有很大的關係。纖毛另有一個兄弟構造叫做鞭毛 (flagella),最知名的例子就是精子的尾巴。真核細胞的鞭毛與可運動纖毛的結構幾乎一模一樣,只是一般說來鞭毛比較長。鞭毛出問題不擺動了,精子游不動,就會造成雄性的不孕症。正因為這些因素,所以很早人們就對纖毛/鞭毛為什麼會擺動,到底是怎麼動的,結構是什麼,是哪些蛋白分子擔任這些角色,能量來源為何...等等問題很有興趣。而多年前我在課堂上修習細胞生物學時,這些就已經是教科書上的標準教材--學過細胞學的人,或許還記得教科書上曾提過纖毛/鞭毛的主體是軸絲 (axoneme),它的橫切面在電子顯微鏡下可見到微管 (microtubule) 構成"9+2"的美麗複雜結構;而運動蛋白 dynein 連結相鄰的微管,利用水解ATP的化學能改變運動蛋白的構型,造成微管的相對滑動,而使軸絲彎曲,讓纖毛擺動....。這些東西既然都已經寫在教科書上,表示在當時就已經是學界公認的基本知識,不是什麼有爭議未確認,正如火如荼探索中的新發現。換句話說,既然明確寫在課本中,就意味著重要的學說架構都已經被研究出來了,剩下的工作是去精練改進與補充這些模型。

科學研究就跟探險尋奇一樣,愈是新的未知的、愈能去開拓知識新疆界的研究,才會受到重視與讚揚,也才有辦法搶佔到廣為各領域的學者所閱讀的綜合知名學術期刊;如果只是對既有已知的舊範圍,做做重複查勘或是修正細節的事情,就得不到人家的重視。人們認為對於纖毛研究主要課題--結構與運動--大體上就是這麼一回事了,除非有實驗技術的突破,很難玩出新把戲。會趕熱潮搶流行的學界,就不會大量投注資源經費與注意力在這件事情上。纖毛生物學就變成一個特定專門的領域,為數不算多的實驗室研究某一細節,研究多只能發表在某些專門期刊。換句話坦白說,就是不熱門。

另一方面,人們用電子顯微鏡觀察細胞的超微細構造後,了解到另外還有一類不會擺動的纖毛 (non-motile cilia)。這類纖毛出現在神經細胞上,像許多感覺神經元的神經末梢,其實就是特化不動的纖毛,比方說:視網膜的視神經,鼻腔內的嗅神經,舌頭上的味蕾細胞,內耳的毛細胞等等。另外人們也發現:幾乎人體大多數的細胞在分裂完成,進入不再增殖的靜止時期,也會長出一根不會動的纖毛,稱為初級纖毛 (primary cilium)。只是或許「纖毛是會動的胞器」這種先入為主的觀念已深植人心,而且不會動的與會動的相比,分明就是缺少了某些構造功能,所以推想這些「非運動纖毛」或許沒什麼大用處,連由Albert與Watson等人所著的「聖經」級教科書 Molecular Biology of the Cell,在1994年第三版時就說初級纖毛「不具任何已知的功能」("has no known function")。

然而,這類「不具任何已知功能」的初級纖毛,卻正是讓冷僻的研究回溫的直接近因。遠因呢?則是起源於有兩條鞭毛的單胞藻衣藻 Chlamydomonas reinhardtti研究。

之前好一陣子纖毛鞭毛的細胞生物學研究沒怎麼能攫取人們的注意力,少數一些致力於此的實驗室大多利用一些特殊的材料來研究,像單胞藻正是這冷門中的主流模式生物:它容易大量培養,有助於生化分析純化;有各種鞭毛型態功能的突變種,可採行遺傳學技術。透過對單胞藻的研究,我們知道纖毛鞭毛的生長是像建高樓一樣,是從突出的遠端延長出去而不是從底部墊高;也找到一種像貨運電梯一樣的輸送作用,把構成纖毛的建材從底部的細胞本體送到頂端的組裝區;還發現負責輸送作用的蛋白分子,廣泛存在各種生物之中,具有演化的保留性。

但是這些還是無法引起大眾的注意。

直到人們發現一件奇怪的事情:在單胞藻中,有一個負責組裝鞭毛所必須的輸送作用的基因,當這個基因突變時,單胞藻無法長出鞭毛。線蟲 C. elegans 有相對應的基因,一如所料,突變時會影響感覺神經纖毛的型態與功能。而老鼠也有這個基因,不過讓人驚訝的是這個基因功能缺失的老鼠,卻帶有人類多囊腎臟病 (polycystic kidney disease) 的病徵。之前對多囊腎病的研究,已經知道是由兩種構成鈣離子孔道的膜蛋白基因缺失所造成,但是為什麼纖毛基因的缺失也有相同的病態呢?仔細觀察這隻多囊腎疾病老鼠的腎小管細胞,果然發現細胞上面那根不會動,「不具任何已知的功能」的初級纖毛都變短了,而後續研究發現先前找到的那兩個突變時會造成多囊腎病的膜蛋白,原來正是位在初級纖毛上面。所以大家開始推測﹔初級纖毛會不會是細胞的天線,上面有各種受體感應器,用以檢測外界的環境與刺激,進而影響細胞的反應?所以當纖毛壞掉了,這些受體感應器去不了正常該去的地方,功能因而被擾亂,腎小管細胞就無法對外界的訊息做出適當的反應,胡亂生長分裂,最後長出一個個空囊。就這樣,原來用老鼠,用斑馬魚,用線蟲等等實驗體系來研究其他腎臟病的人,甚至臨床研究的醫生,紛紛把目光投注在纖毛的形成機制上。

無獨有偶,當研究腎臟病的人注意到纖毛的重要,人們也發現另一種罕見遺傳性疾病跟纖毛的病變有關。這種病叫做 Bardet-Biedl 症候群 (Bardet-Biedl Syndrome,簡稱為 BBS),病狀很廣雜:異常肥胖,有六根手指腳趾;有的人視網膜退化,有的人身體左右相反,有的人兼得腎臟病,有的還有水腦症。突變造成 BBS 的基因在稍早就被鑑定出來了,陸續找到八個不同的基因(現在已經增加到十幾個),但面臨跟多囊腎病一樣的研究困境:搞不清楚為什麼這些基因的突變會造成 BBS,更何況導致如此龐雜的病徵。後來利用線蟲來探討這些 BBS 基因的研究者發現原來 BBS 基因產物位於纖毛的基部與纖毛內,還發現 BBS 基因產物功能與纖毛內的貨梯輸送作用有關。人們又恍然大悟,既然 BBS 基因功能與纖毛有關,而人體大多數的細胞都有初級纖毛,所以纖毛出了問題,影響到很多不同類型的細胞,就可以解釋為何 BBS 的症狀如此分歧雜亂,牽涉多種器官。最近有人進行蛋白質純化分析,更發覺細胞內多種 BBS 基因產物彼此結合在一起成為一大團複合體,可能負責在細胞內輸送分泌囊泡到纖毛基部去,以補充纖毛的細胞膜與上面的膜蛋白。現在,除了多囊腎臟病與 BBS 之外,陸續還發現多種遺傳疾病也都是纖毛的病變引起的。

人們知道纖毛跟疾病有關是一回事,為什麼會有關是另一個問題。而隨即有人適時補上這塊空白,發現纖毛參與了個體發育與細胞分化。研究胚胎發育的人發現他們利用誘導突變製造出來的數種神經管發育不正常的老鼠,竟然是由數個纖毛基因各自的病變所致。多個研究不同細胞表面受體與訊息傳遞的研究群,也發現他們各自研究的蛋白分子,是位在那不會動的初級纖毛上。細胞內的訊息傳遞是像工廠生產線一樣,一關一關,從一個分子傳到另一個分子。有的傳遞途徑的中間步驟必須在纖毛裡完成,否則傳到最終的輸出結果也就不一樣。於是人們提出假說,認為細胞上的初級纖毛不但像個天線偵測站,觀測外界的訊息;可能還是個資料處理中心,要整合不同的訊息,然後傳遞回細胞核的司令部去做決策。

發展至此,打算研究遺傳病的、研究個體發育的、研究細胞訊息的,或多或少都可以跟初級纖毛扯上關係,而且這個先前被說是「不具任何已知功能」的小傢伙,看起來功能還不少呢。纖毛鞭毛的相關研究不再只是學院裡面一些過了研究巔峰的老頭子,盯著奇怪罕見的微生物,研究了幾十年還捨不得放棄的冷題目,一個新的「纖毛病理學」("Ciliopathy") 領域就此開展,讓許多用不同的主流模式生物系統當材料做實驗、原本不關心纖毛的人跑來卡位,搶著開拓。

吹噓完畢。比起主宰一切的細胞核,或影響能量代謝與細胞凋亡的粒線體等胞器,纖毛雖然是個不怎麼稱頭的結構,但是這幾年來開始鹹魚翻身,上得了檯面,原因就是大家發現這個突出細胞表面的小構造,或許跟你我的生老病都很有關係。

最後,前面提及從纖毛生物學研究的冷熱當例子,可以看出美國生物醫學的發展走向。對此我個人的體認就是--必須跟人類健康與疾病有關,才會變主流研究。基礎生物學研究雖然是一切發現的根基,但是當前演變下,卻變成只有扯上了疾病,扯上了發育,扯上了人類的健康福祉,才會變成熱門焦點,才可能在大學校園內找得到教職,才可能拿到聯邦經費做研究,十足的功利與實用導向。這樣對嗎?利用單細胞生物研究纖毛組成的我,當然很想理直氣壯的說不對,畢竟趨勢如此下去,對自身這種玩基礎研究的很不利啊。但是坦白講,講究實效不對嗎?今天的科學研究已不是幾世紀前歐洲貴族教士等等有錢有閒的知識階級,閒暇時在自家閣樓或後院動動手,滿足好奇心與成就感的副業興趣罷了。在那種情況下,可以自己愛玩什麼就玩什麼。但當今的生物醫學科學研究,是大筆資金與人力物力投注的專門職業,博士班研究生與博士後研究員多如過江之鯽,做起實驗來花錢如流水,但大多仰賴政府的生醫科研預算補助,花的是納稅人的錢。要不要考慮科研的投資效益呢?眼光固然要放長遠,但是資源資金有限的情況下,多遠的長遠是可容許的界限呢?所以功利實用與醫藥取向的趨勢對嗎?不對嗎?好嗎?不好嗎?真不是個有簡單答案的問題。

11 個意見:

Blogger ws 提到...

It's so informative of this article.

Once in a lecture, heard some physics/math model(fluid dymics....) can apply to the movement of flagella in the fluid. Obscurely remember, the same principle can work on the design of microrobotics helping transportation in some specific environment.

A strange/weird inference came to my mind. Some sensitive people (like artist, muscian....) can be very conscious of the environmental(chemical, physical, even cultural) change, even aware of people's staring from behind. Could that be the message transmission via 初級纖毛 as 細胞的天線 due to 各種受體感應器?

2008/3/16 上午9:29  
Blogger scipao 提到...

謝謝這麼詳細的介紹這個鮮為人知的領域。

2008/3/16 下午8:09  
Blogger 纖毛蟲 提到...

ws:
其實有很多生物物理學家的研究, 就是應用流體力學去計算鞭毛與纖毛的運動模式. 只是學生物的人一看到微分方程式之類的東西就傻眼了, 所以都忽略了.
你我能看,能聽,能嗅, 這些都是感覺神經末梢纖毛上的受器接受刺激, 傳遞到大腦去處理. 所以聽力特別好, 鼻子或味覺特別靈敏的人, 當然有可能是他們的神經末梢纖毛上的受器特別容易反應, 不過, 知覺意識還要透過大腦皮層的處理, 所以我覺得還可能是中樞神經的網路連結方式, 讓這些人的感覺更敏銳.

scipao:
也謝謝你看完這樣冗長的廣告文.

2008/3/18 上午8:09  
Anonymous 匿名 提到...

好文章,建議也發表在科學月刊!

有個問題:
non-motile cilia 與一般神經細胞的axon或dendrite 的形成或功能有關嗎?

蔡孟利

2008/3/19 上午11:38  
Blogger Hsu 提到...

楊西苑老師在上組織學時,都會提到「每個細胞都有一根毛」但這個毛的功能卻不清楚。學長的這篇文章為這個問題提出了很多解釋

b95生科系 許明翰

2008/3/23 下午7:11  
Anonymous 阿伊 提到...

非常有趣的主題。這篇是很不錯的short review喔!

回想起我以前上的進階細胞生物學,幾乎通通在上'毛',如果由纖毛蟲大大來上課,我想會更有趣得多吧!

2008/3/28 上午10:02  
Blogger 纖毛蟲 提到...

孟利學長:
某些感覺神經元的樹突最末梢的構造本身就是纖毛,橫切面可以見到axoneme的九組microtubule doublets.但是如果你是指形成纖毛的過程,與決定axon或dendrite的形成有無關聯,據我所知,目前沒有證據顯示有直接的關係.
不過,之前中研院院士蒲慕明(M-M Poo)來我們系上演講時提到某個跟cell polarity的決定有關的基因,似乎也可以決定神經元母細胞哪個突出會變成軸突;另一方面,像上皮細胞這種有極性(apical v.s. basolateral)的細胞中,決定了planar cell polarity的基因,也會影響到不會動的monocilim纖毛的形成.所以cell polarity的決定,與纖毛或樹突軸突的形成都有關係.
不知道這樣是否回答了你的問題.

2008/4/10 上午9:18  
Blogger 纖毛蟲 提到...

明翰學弟:
關於primary cilium,最近有好多review可以讀.我推薦這一篇:Christensen et al. 2007. Traffic 8: 97-109.
如果下次又聽到楊老師說這根毛的功能不清楚,可以請他去參考一下這篇文章.

阿伊:
多謝你的支持鼓勵啦.

2008/4/10 上午9:25  
Anonymous 匿名 提到...

请问“負責組裝鞭毛所必須的輸送作用的基因”是什么?
你说的“對多囊腎病的研究,已經知道是由兩種構成鈣離子孔道的膜蛋白基因缺失所造成”。 这个膜蛋白是不是polycystin-1 和-2 或者ploycystin-L.

"負責組裝鞭毛所必須的輸送作用的基因"与polycystin-1,-2, -L间有什么关系?


谢谢!

Honk

2008/6/28 上午10:31  
Blogger 纖毛蟲 提到...

Honk,
那一段所要講的是 Pazour et al. (2000) J. Cell Biol. 151: 709-718. 這篇報告的事情.那個與組裝鞭毛有關的基因是IFT88.
你說的沒錯,兩個多囊腎病基因就是PC-1與PC-2. 只是我原文裡面沒寫得很精確,離子孔道是由Polycystin-2構成的,Polycystin-1本身不是離子孔道,但是可以調節Polycystin-2的功能.
至於IFT與Polycystin-1/2之間的關係,其實所知仍不多.單胞藻(衣藻)中有個與人類PC-2相對應的基因CrPKD2,可以分布在鞭毛,而且其中某些會沿著鞭毛的長軸雙向移動.這個移動需要IFT的輸送作用.詳情請參考 Huang et al. (2007). J. Cell Biol. 179: 501-514. 

2008/6/28 下午12:50  
Anonymous 匿名 提到...

這是一篇讓我好驚訝的文章,把ciliopathy的故事娓娓道來~自己是文中所提數種遺傳病之一的carrier,一直注意著相關的研究進展,9年前pubmed中相關paper還寥寥無幾,到現在ciliopathy成為一個新的領域,我也算見證了文中所寫的部份歷程,一度甚至異想天開的想把它當我的博士論文~看完整篇文章,真的很有感觸~好文!

2010/11/8 上午10:28  

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